Види і характеристики радіо- і телевізійних антен

10

Лабораторна робота №2

Види і характеристики радіо- і телевізійних антен

Мета роботи

Ознайомитися з основними видами радіо- і телевізійних антен, розглянути їх технічні характеристики.

Радіо- і телевізійні антени

Приймальні телевізійні антени перетворять енергію електромагнітних хвиль у ВЧ-енергію, що поступає по фідеру (звичайно це коаксіальний кабель) до телевізійного приймача. Від антени в значній мірі залежить якість сигналу, що приймається, тому необхідно знати основні параметри антен і особливості їх конструкцій. По місцю установки антени можуть бути:

- кімнатні, призначені для установки усередині приміщення;

- вбудовані, встановлені усередині телевізора;

- зовнішні, призначені для установки поза приміщеннями.

Залежно від діапазонних властивостей антени бувають:

- одноканальні, призначені для прийому одного телевізійного каналу;

- багатоканальні, призначені для прийому декількох телевізійних каналів;

- діапазонні, призначені для прийому одного, або декількох телевізійних діапазонів.

Широкий вибір всіляких конструкцій телевізійних антен представлений на ринках СНД як вітчизняними, так і зарубіжними виробниками. У документації, що надається, часто міститься більше реклами, чим об'єктивній інформації, по якій можна було б визначити їх якісні показники. Нижче розглянуті параметри і конструктивні особливості ТБ антен.

Параметри ТВ антен

Антена -- пристрій, який випромінює підведену до нього високочастотну енергію у вигляді електромагнітних хвиль в навколишній простір (передавальна антена) або приймає високочастотну енергію вільних коливань (приймальна антена) і перетворює її на енергію електромагнітних коливань, що поступає по фідеру на вхід приймального пристрою.

Передавальна і приймальна антени володіють властивістю взаємності, тобто одна і та ж антена може випромінювати або приймати електромагнітні хвилі, причому в обох режимах вона має однакові властивості (параметри).

До передавальних антен пред'являють додаткові вимоги, пов'язані з великими потужностями, що підводяться, ВЧ енергії, тому конструктивно приймальні антени простіше передавальних.

Властивості взаємності широко використовуються для визначення характеристик антен, оскільки деякі параметри простіше визначати в режимі передачі, чим в режимі прийому. Кожна антена має цілий ряд певних характеристик, необхідних для оцінки її якості.

До основних параметрів приймальних телевізійних антен відносяться наступні:

РОБОЧИЙ ДІАПАЗОН ЧАСТОТ (смуга пропускання) - це інтервал частот, в якому витримані всі основні параметри приймальної телевізійної антени: узгодження, коефіцієнт посилення, коефіцієнт захисної дії і ін. За смугу пропускання береться спектр частот (визначається телевізійними каналами, що приймаються), на межах якого потужність прийнятого сигналу зменшується не більше ніж в два рази.

ДІАГРАМА СПРЯМОВАНОСТІ приймальної антени характеризує залежність ЕДС, наведеною в антені електромагнітним полем, від орієнтації її в просторі. Будується вона в полярній (сферичною) -- рисунок 2. 1, або в прямокутній системах (рисунок 2.2) координат в двох характерних площинах (горизонтальною і вертикальною).

При повороті антени в ту або іншу сторону від нульового напряму на діаграмі відкладаються величини, відповідні відношенню Е/е max. Якщо звести в квадрат відносні значення ЕДС, відповідні різним напрямам приходу сигналу, то можна побудувати діаграму спрямованості по потужності.

Пелюстку, відповідну максимальному сигналу або нульовому напряму, називають основною або головною, останні -- бічними або задніми (залежно від розташування по відношенню до головної пелюстки).

Для зручності порівняння діаграм спрямованості різних антен їх зазвичай нормують, для чого максимальну величину ЕДС приймають за одиницю.

Основним параметром діаграми спрямованості є кут розчину (ширина) головної пелюстки, в межах якої ЕДС, наведена в антені електромагнітним полем, спадає до рівня 0, 707, або потужність, що спадає до рівня 0, 5 від максимальної. По ширині головної пелюстки судять про направлені властивості антени. Чим ця ширина менша, тим більше спрямованість антени.

Форма діаграми спрямованості залежить від типу і конструкції антени. Діаграма спрямованості півхвильового вібратора в горизонтальній площині, нагадує вісімку, а у вертикальній -- круг. Антена “хвилевий канал” в своїй діаграмі спрямованості має яскраво виражену головну пелюстку, а із збільшенням числа директорів в антені головний і бічні пелюстки звужуються, при цьому поліпшуються направлені властивості антени.

КОЕФІЦІЄНТ НАПРАВЛЕНОЇ ДІЇ (КНД) характеризує направлені властивості антен і є числом, що показує, в скільки разів потужність сигналу, прийнята антеною, більше потужності, яку прийме еталонна антена (півхвильовий вібратор). КНД (D) залежить від ширини діаграми спрямованості антени в горизонтальній і вертикальній площині. Наближена формула має вигляд:

D= 41200* k^2/H* V (1)

де k -- коефіцієнт, рівний 1град.;

Н -- ширина діаграми спрямованості в горизонтальній площині, град.;

V-- ширина діаграми спрямованості у вертикальній площині, град.

На практиці часто потрібно оцінити КНД по відношенню не до ненапрямленої, а до дипольної антени. В цьому випадку значення КНД, обчислене за вказаною формулою, повинне бути зменшене в 1, 64 рази. Для розрахунку КНД в децибелах беруть 10 десяткових логарифмів значення КНД [D(дБ) = 10 Ig D] і для розрахунку по відношенню до диполя зменшують набутого значення на 2,15 дБ.

КНД пов'язаний з коефіцієнтом посилення по потужності Gp співвідношенням:

Gp = D *n (2)

де: n -- коефіцієнт корисної дії антени.

На метрових і дециметрових хвилях ККД для приймальних антен близький до одиниці -- близько 0,95 .

КОЕФІЦІЄНТ ПОСИЛЕННЯ АНТЕНИ показує, наскільки рівень сигналу, що наводиться в ній, перевищує рівень сигналу на еталонній антені. Як еталонна антена приймають півхвильовий вібратор або ізотропну антену (повністю ненапрямлена антена, що має просторову діаграму спрямованості у вигляді сфери). Реально таких антен немає, але вона є зручним еталоном, за допомогою якого можна порівнювати параметри існуючих антен. Коефіцієнт посилення півхвильового вібратора щодо ізотропної антени рівний 2. 15 дБ (1. 28 разу по напрузі або 1. 64 рази по потужності). Отже, якщо виникне необхідність перерахувати коефіцієнт посилення антени по напрузі або по потужності щодо ізотропної антени, то необхідно розділити відому величину на 1. 28 або 1. 64, внаслідок чого отримаємо коефіцієнт посилення щодо півхвильового вібратора. Якщо G антени вказаний в децибелах щодо ізотропної антени те для перерахунку його щодо півхвильового необхідно відняти 2. 15 дБ.

Наприклад, якщо щодо ізотропної антени G = 6, 5 дБ, то щодо півхвильового вібратора G = 6, 5 - 2, 15 = 4, 35 дБ.

При порівнянні антен слід звертати увагу на те, в чому виражений коефіцієнт посилення -- по напрузі або по потужності:

Gp=Ра/Рэ=10lgРа/Рэ (дБ) (3) Gu = Uа/ Uэ = 20 Ig Uа / Uэ (дБ) (4)

де Ра -- потужність, прийнята антеною;

Ра -- потужність, прийнята еталонною антеною;

Ua -- напруга на антені;

Uэ -- напруга на еталонній антені.

Середнє значення коефіцієнта посилення антени в робочій смузі частот -- це середнє арифметичне значення коефіцієнтів посилення в децибелах, зміряних на середніх частотах кожного з каналів, що входять в робочу смугу частот, а також на крайніх частотах цієї смуги.

Нерівномірність коефіцієнта посилення -- відношення максимального коефіцієнта посилення до мінімального в смузі частот каналів, що приймаються.

КОЕФІЦІЄНТ ЗАХИСНОЇ ДІЇ (КЗД) визначає ПЕРЕШКОДОЗАХИСНА АНТЕНИ - це відношення напруги, що отримується від антени на узгодженому навантаженні при прийомі із заднього або бічного напряму, до напруги на тому ж навантаженні при прийомі з головного напряму.

Перешкодозахисну в децибелах визначають по формулі:

КЗД = 20 Ig Е задн / Е гл. (дБ) (5)

У зарубіжних джерелах перешкодозахисну виражають передньо-заднім відношенням (ПЗО), яке характеризує міру спрямованості антени для кутів 0 град. і 180 град. . ПЗО є відношенням напруги, що виникає на вході антени при опромінюванні її з цих напрямів:

ПЗО = U0/U180 (6)

Для однієї і тієї ж антени величини КЗД і ПЗО по модулю рівні (величина КЗД -- негативна). Зустрічається визначення перешкодозахисної, як рівень бічних пелюсток (УБЛ) діаграми спрямованості -- це відношення ЕДС при прийомі з боку максимуму найбільшої бічної пелюстки до ЕДС при прийомі з боку максимуму основної пелюстки. Рівень бічних пелюсток, представляють у відносних одиницях або відсотках.

УБЛ = (Емакс.бок / Емакс.гл.) * 100% (7)

При конструюванні антен Рівень бічних і задніх пелюсток прагнуть звести до мінімуму, щоб поліпшити перешкодозахисну антен.

ВХІДНИЙ ОПІР АНТЕНИ характеризує її импедансные властивості в точці живлення (у місці під'єднування фідера) і дорівнює відношенню напруги до струму на вході фідера. У загальному випадку вхідний опір антени Zвх містить резистивну Rвх і реактивну Хвх (ємкісну або індуктивну) складові:

Zвx = Rвx + Хвх (8)

Чим менше реактивна складова Хвх і чим ближче Rвx до хвилевого опору фідера лінії, тим краще антена узгоджена. Невиконання умови узгодження приводить до появи багатократних віддзеркалень сигналів в антенному фідері, що виявляються у вигляді повторних, зрушених по горизонталі зображень на екрані телевізора і частковій втраті потужності сигналів, що приймаються, у фідері.

Для зменшення втрати потужності антену необхідно набудувати в резонанс з частотою каналів, що приймаються. У випадку, якщо антена працює в широкому діапазоні ТБ каналів, її слід настроювати на середню частоту діапазону. Практично настройка зводиться до підбору геометричних розмірів і елементів антени, а також розташування клем, до яких підводиться фидерная лінія. Резонанс антени досягається у тому випадку, коли по довжині вібратора укладається ціле число півхвиль. Якщо число півхвиль, що укладаються уздовж вібратора, непарне (l/2, З*l/2 і так далі), то вхідний опір малий (від 73 Ом при довжині вібратора l/2 до 120 Ом при більшому числі півхвиль). Якщо ж число півхвиль парне l, 2*l, 3*l і так далі), то вхідний опір великий (від 400 - 500 Ом до 1- 2 кОм залежно від діаметру провідників).

На частотах нижче резонансною реактивна складова має ємкісний, а на частотах вище резонансною -- індуктивний характер. Вхідний опір антени також залежить від об'єктів, що знаходяться поблизу антени і впливають на розподіл поля в просторі, що необхідно враховувати при установці антени.

Залежність вхідного опору антени від частоти носить назву ЧАСТОТНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ Чим менше міняється вхідний опір антени при зміні частоти, тим, шпильці смуга її пропускання.

КОЕФІЦІЄНТ ХВИЛІ (КБВ), що БІЖИТЬ, показує ступінь узгодження приймальної антени з фідером (кабелем) зниження. Він чисельно дорівнює відношенню мінімальної напруги (вузол) лінії до максимальної напруги (пучність), які мали б місце при вимірюванні уздовж фідера при роботі антени в режимі передачі:

КБВ = Uмин / Uмакс (9a)

Виражається КБВ у відносних одиницях: чим більше значення КБВ, тим ефективніше передача сигналу від антени до телевізора. Повне узгодження буде у тому випадку, коли опір антени Ra і хвилевий опір фідера Rф рівні (Ra = Рф). При хвилі, що чисто біжить, струм і напруга по довжині фідера не мають ні мінімуму, ні максимуму, а КБВ дорівнює одиниці. Такий режим узгодження практично отримати важко, цілком досить рахувати Кбв>0. 5, що відповідає зниженню потужності сигналу, що приймається, до 10% . Чим вище значення КБВ (у антенах різних конструкцій знаходиться в межах 0, 25... 0, 6), тим ефективніше передача сигналу від антени до телевізора, вище якість прийому.

КОЕФІЦІЄНТ СТОЯЧОЇ ХВИЛІ (КСВ) - величина, зворотна КБВ:

КСВ =1/КБВ (9)

КОЕФІЦІЄНТ ВІДДЗЕРКАЛЕННЯ є відносинами амплітуди відбитої хвилі до амплітуди падаючої хвилі:

IPI = IUoтp/Unад.l (10)

ДОВЖИНА антени, що ДІЄ (ЕФЕКТИВНА), характеризує здатність приймальної антени витягувати електромагнітну енергію з навколишнього простору і визначається відношенням ЕДС, наведеною в антені, до напруженості електричного поля в місці розташування приймальної антени:

lд=U/Е (11)

де U -- значення ЕДС на затисках антени, мВ;

Е -- напруженість електричного поля в місці прийому, мВ/м. Довжина антени (lд, в метрах), що діє, пов'язана з коефіцієнтом посилення і вхідним опором антени таким чином :

lд= (l /3.14) ( G*Ra / 73.1) ^0.5 (12)

де l -- середня довжина хвилі, м;

G -- коефіцієнт посилення антени;

Ra -- опір антени. Ом;

Довжина півхвильового вібратора, що діє, рівна:

lд= l / 3.14 = 0,32*l (npu G=1, Ra=73,1 Ом) (13)

У загальному випадку напруга на виході антени, узгодженої з приймачем, визначається як

U=lдE/2 (14)

де: U -- значення ЕДС на виході антени, мкВ;

Е -- напруженість електричного поля в місці прийому, мкВ/м.

Звичайне поняття довжини, що діє, вводять для вібраторів з довжиною плеча lп<= 0.7l.

Висновок: Розглядаючи дану роботу, ми ознайомилися з основними видами радіо- і телевізійних антен, та розглянули їх технічні характеристики.